현재 휴대형 정보통신기기에 중점 사용되고 있는 2차전지는 리튬이온·니켈수소·니켈카드뮴전지라 할 수 있다. 이 중 니켈카드뮴과 니켈수소전지는 리튬이온전지에 밀려 이제 사라질 운명을 맞고 있다. 또 현재 리튬이온전지도 리튬폴리머전지에 그 자리를 내줄 것이라는 성급한 견해도 나오고 있다.
물론 리튬이온폴리머전지도 그 뒤를 이어 나올 차세대 2차전지에 모바일 정보통신기기용 핵심 전원 자리를 양보해야 할 공산이 크다.
이처럼 차세대 2차전지를 둘러싼 개발경쟁이 치열하게 전개되고 있는 까닭은 크게 두 가지. 가벼움과 고용량화다.
노트북PC나 휴대폰·디지털캠코더·디지털카메라와 같은 휴대기기의 사용이 늘어남에 따라 전체 휴대기기 무게에서 큰 비율을 차지하는 전지에 대한 소비자의 소형 경량화 요구가 높아가고 있다.
일례로 삼성SDI가 미국 폴리폴러스와 공동으로 개발한 ‘꿈의 2차 전지’로 불리는 리튬설퍼(Lithium Sulfur) 전지는 가벼우면서 고용량화를 이룰 수 있는 차세대 2차전지.
기존 리튬이온전지와 리튬폴리머전지에 사용되는 리튬코발트옥사이드와 카본보다 용량이 많은 설퍼와 리튬금속을 사용해 3∼5배 이상의 고용량을 발휘할 수 있다고 평가되고 있는 리튬설퍼전지는 세계시장만도 1조원대에 달할 것으로 예측되고 있다.
특히 이 전지는 2.1볼트대의 낮은 구동전압을 이용하기 때문에 앞으로 급부상하게 될 IMT2000 등 모바일기기에 적합하며 전기자동차용 대형전지로도 사용할 수 있다는 게 삼성SDI의 설명이다.
삼성SDI는 오는 2005년까지 무려 4500억원을 투자한다는 마스터 플랜까지 갖고 있다.
삼성SDI는 가까운 미래에 현실화될 차세대 2차전지인 공기아연전지·미생물전지·연료전지·태양전지 등을 개발할 계획이다.
공기아연전지는 공기 중의 산소를 양극 활성물질로 사용하고 아연을 음극 활성물질로 채택하는 것으로 현재 초보적인 제품이 보청기 등 초소형 제품에 채택되고 있으며 보다 고급화할 경우 영구적인 사용도 가능하다.
미생물전지는 적조현상의 주범인 조류에 속하는 미생물이 체내에 축적하고 있는 전자를 전기에너지로 변환시키는 것을 응용한 전지로서 환경오염 방지에도 일조할 것으로 기대되는 첨단전지다. 이 전지의 개발을 최초로 시도한 곳은 미항공우주국(NASA)으로서 우주공간에서 미생물을 이용하려는 계획의 일환으로 개발을 진행했으나 미생물에서 전자를 빼내 전극에 효율적으로 전달하는 미디에이터 운반자의 안정화 문제로 인해 개발이 지연되고 있는 것으로 알려졌다.
태양전지는 현재 아모포스 실리콘계를 중심으로 손목시계·도로표지판·안내판 등에 채택되고 있기는 하지만 대용량 에너지를 제공하려면 넓은 집광판을 필요로 하기 때문에 공간제약이 따르는 단점이 있다. 그러나 원료의 무한성과 무공해 특성으로 인해 미래의 무공해 에너지원으로 각광받고 있으며 설치공간문제를 해결하기 위한 셀의 단위면적당 에너지 출력효율을 높이는 연구가 활발히 진행되고 있다.
고용량 신형 커패시터도 미래 전지로 부각되고 있는 제품.
커패시터는 주로 유전형 커패시터와 전해형 커패시터, 전기2중층 커패시터(EDLC:Electronic Double Layer Capacitor), 레독스형 커패시터로 분류할 수 있는데, 이 중 EDLC와 레독스형 커패시터의 개발이 주목을 받고 있다. 특히 신규 탄소재료, 고분자 고체전해질 및 겔전해질을 적용한 신형 EDLC가 개발돼 상용화의 길이 열린 것으로 평가되고 있다.
이 파워 커패시터는 현재 마쓰시타·아사히 유리 및 NEC 등이 개발에 적극 나서고 있는 것으로 알려지고 있다.
리튬금속 2차전지도 상용화하면 세계 전지시장에 돌풍을 몰고 올 것으로 예견되는 기대주.
리튬금속을 음극으로 하고 양극에는 리튬이온의 탈삽입이 가능한 산화물을 이용한 리튬금속전지는 그러나 리튬금속 용해·석출시 그 형상을 변화시킬 가능성이 있다는 문제점이 있다. 따라서 용해·석출을 균일하게 하고 형태변화를 최소한 억제하는 것이 실용화를 위해 필수적이다.
그런데 최근들어 피막을 전해액과의 반응에 의한 변성을 통해 보다 치밀하게 만들어 주는 새로운 리튬금속이 개발돼 실용화 가능성을 높여 주고 있다.
이밖에 차세대 2차전지 후보군으로 손꼽히는 전지는 전기이중층콘덴서. 전기이중층콘덴서는 오늘날 리튬이온전지로서는 도저히 해결할 수 없는 급속충전이 가능하고 1만회 이상의 충방전을 되풀이해도 특성이 변하지 않는 장점을 지니고 있다. 현재 NEC·마쓰시타전기산업 등 일본 전지업체들이 이 전기이중층콘덴서의 상용화에 본격 나서고 있다.
또 하나는 미래에 휘발유 자동차를 대체할 것으로 예상되는 전기자동차 및 하이브리드자동차를 개발하려는 자동차업체들의 개발이 활기를 띠고 있다는 점이다. 이같은 차세대 자동차의 상용화 여부는 현재 시판되고 있는 전기자동차의 경우 전지 무게가 전체 차량 무게의 3분의 1에 달해 이를 얼마나 축소시킬 수 있느냐에 달려 있다고 해도 과언이 아니다.
연료전지도 차세대 리튬이온 2차전지의 후보로 들 수 있다. 연료전지는 전지라기보다는 발전기에 가깝다. 공기와 수소를 연료로 사용하는 연료전지는 이산화탄소 등을 전혀 배출하지 않고 2차전지처럼 충전할 필요가 없는 것이 특징이다. 게다가 발전효율이 현행 내연기관의 2∼3배에 상당하는 40∼60%에 달한다. 이같은 특징에 착안, 자동차업체를 중심으로 한 벤처기업들이 연료전지 개발에 박차를 가하고 있다. 이 분야에서는 미국의 에너지 릴레이티드 디바이시스사와 맨해튼 사이언티픽사의 공동그룹 및 H파워, 일본의 마쓰시타전기산업 등이 앞서 나가고 있다.
<이희영기자 hylee@etnews.co.kr 김용석기자 yskim@etnews.co.kr>